矽是鋁鑄造合金中最重要的合金元素。超過85%的鋁鑄件是由鋁矽合金生產的——從A356汽車輪圈到A380引擎缸體。這種主導地位並非偶然：矽能顯著改善鑄造性能，同時提供強度、延展性和耐腐蝕性的絕佳組合。
本文解釋了矽含量如何影響鋁合金錠在鑄造過程中的行為以及最終部件的物理性能。無論您為砂型鑄造、金屬型鑄造或高壓壓鑄指定鋁錠，了解矽的作用對於品質和成本控制至關重要。
為什麼是矽？冶金學原理
添加矽到鋁鑄造合金中有幾個基本原因：
- 優異的鑄造性： 矽能顯著提高流動性，使熔融金屬能夠填充薄壁區域和複雜的模具幾何形狀
- 低收縮率： 鋁矽合金具有較窄的凝固範圍（尤其是在共晶成分附近），可減少熱裂和縮鬆
- 輕量化： 矽（密度2.33 g/cm³）比鋁（2.70 g/cm³）輕，因此較高的矽含量可減輕鑄件重量
- 良好的機械性能： 矽顆粒可強化合金，同時保持延展性（特別是在變質處理後）
- 優異的耐腐蝕性： 矽能改善鈍化行為
- 低熱膨脹： 高矽合金具有較低的熱膨脹係數，非常適合精密部件
來源：用於合金化的高純度金屬矽
鋁矽鑄造合金的品質始於用作合金添加劑的金屬矽。對於優質鋁鑄件， 高純度金屬矽 對於避免引入可能降低機械性能和鑄造性的不必要雜質至關重要。Bright Alloys 提供適用於鋁合金生產的完整系列金屬矽等級：
- 97級金屬矽 （最低97% Si）—— 適用於不需要最高純度的一般用途鋁鑄造合金的經濟型選擇
- 331級金屬矽 （99.3% Si）—— 大多數鋁矽鑄造合金的標準等級，平衡了純度與成本
- 441級金屬矽 （99.1% Si，低Fe、Al、Ca）—— 適用於需要穩定化學成分和較低鐵含量的優質鑄件
- 553級金屬矽 （98.5% Si）—— 廣泛用於標準鑄造合金，為批量生產提供良好價值
- 1101級金屬矽 （99.7% Si，超低雜質）—— 適用於要求最高純度和一致性的航空航天和高性能鑄件
金屬矽等級的選擇直接影響最終合金的雜質含量——特別是鐵、鈣和鋁——進而影響鑄造流動性、陽極氧化反應和機械性能。
鋁矽相圖：亞共晶、共晶與過共晶
鋁矽相圖是理解這些合金的基礎。其關鍵特徵是 在12.6%矽和577°C處的共晶點.
亞共晶合金 (< 12.6% Si)
示例： A356 (7% Si), A357 (7% Si), A319 (6% Si), A356.2 (7% Si)
微觀結構： 初生鋁枝晶 + 枝晶間區域的鋁矽共晶
特性： 良好的延展性，優異的強度和伸長率組合，廣泛用於需要壓力密封性和良好疲勞性能的結構鑄件。使用鍶或鈉進行變質處理是標準做法，可將針狀矽片轉變為纖維狀形態，將延展性提高2-3倍。
共晶合金 (12.6% Si)
示例： A413 (12% Si), LM6 (12% Si)
微觀結構： 完全共晶——鋁和矽的細小混合物
特性： 最大流動性，最小收縮，優異的壓力密封性，良好的耐腐蝕性。所有鋁矽合金中最佳的鑄造性。中等強度和延展性（可通過變質處理改善）。非常適合複雜的薄壁鑄件、液壓部件和複雜的壓鑄件。
過共晶合金 (> 12.6% Si)
示例： A390 (17% Si), A390.1 (17-18% Si), A391 (19% Si)
微觀結構： 初生矽晶體 + 鋁矽共晶
特性： 非常低的熱膨脹係數（17-19 ppm/°C），優異的耐磨性，高硬度，良好的高溫強度。初生矽顆粒作為硬的耐磨相。需要特殊處理（磷接種）來細化初生矽。加工困難（需要金剛石刀具）。用於引擎缸體、活塞、汽缸套和耐磨部件。
對鑄造性能的影響
流動性（金屬液流動能力）
流動性隨矽含量增加至共晶點而提升，之後下降。矽含量0%時，鋁的流動性差。矽含量7%（A356）時，流動性較純鋁改善約50%。矽含量12%（A413）時，流動性達到最大值——比純鋁提升約100%。這就是為什麼薄壁壓鑄件（1-2毫米截面）通常使用近共晶合金。
熱裂敏感性
熱裂發生於凝固金屬無法承受收縮應力時。共晶合金的窄凝固範圍（僅約5°C）可最小化熱裂。矽含量5-9%的亞共晶合金具有中等熱裂敏感性。矽含量低於3%的合金（如2xxx系列）高度敏感，極少用於砂型或金屬型鑄造。
收縮與補縮
總凝固收縮率隨矽含量增加而降低：純鋁：約6.6%體積收縮。A356（7%矽）：約4.5%收縮。A413（12%矽）：約3.8%收縮。A390（17%矽）：約3.0%收縮。較低的收縮意味著更小的冒口、更高的成品率和更少的孔隙。
對物理與機械性能的影響
| 性能 | 低矽（<5%） | 中矽（5-9%） | 高矽（12-18%） | 實際影響 |
|---|---|---|---|---|
| 抗拉強度（鑄態） | 低（約120-150 MPa） | 良好（約180-240 MPa） | 中等（約150-200 MPa） | 亞共晶經熱處理後強度最佳（A356-T6：UTS 310 MPa） |
| 伸長率（延展性） | 高（約10-15%） | 良好（約5-12%） | 低（約1-3%） | 較高矽含量降低延展性；變質處理可恢復亞共晶合金部分延展性 |
| 硬度（勃氏） | 低（約30-40 HB） | 中等（約60-90 HB） | 高（約100-150 HB） | 過共晶合金非常適合耐磨應用 |
| 密度（g/cm³） | 2.70-2.71 | 2.67-2.69 | 2.62-2.66 | 共晶合金可減重1-3%（使用更高純度的 Grade 441 或 553 金屬矽 有助於在實現這些密度優勢的同時維持低雜質含量） |
| 熱膨脹係數（10⁻⁶/°C） | 23-24 | 21-22 | 17-19 | 高矽含量降低熱膨脹——對活塞和精密零件至關重要 |
| 熱導率（W/m·K） | ~200 | ~150-170 | ~120-140 | 較高矽含量導致較低導熱率——對大多數鑄件可接受，但需考慮換熱器應用 |
矽形態：鑄態 vs. 變質處理
矽顆粒的形狀顯著影響機械性能。在未變質的亞共晶合金中，矽形成粗大的針狀片晶，作為應力集中點，將伸長率限制在2-4%。
變質處理 （添加0.005-0.03% Sr或Na）將針狀矽轉變為細小纖維狀形態。結果：伸長率從3%提升至10-12%（A356）。抗拉強度提升15-25%。疲勞壽命改善2-5倍。斷裂韌性翻倍。因此，現代鑄造廠幾乎所有亞共晶鋁矽鑄造合金都進行變質處理。變質處理的效果部分取決於矽源的純度——高純度 Grade 1101 金屬矽 （99.7% Si）可最小化可能毒化變質反應的干擾雜質。
常見鋁矽鑄造合金
| 合金 | 矽含量（%） | 類型 | 典型應用 | 關鍵性能 |
|---|---|---|---|---|
| A356 / A356.2 | 6.5-7.5% | 亞共晶 | 汽車輪轂、懸掛部件、結構鑄件、航空配件 | T6熱處理後具有優異的強度重量比（UTS 310 MPa，伸長率10%）。最佳通用鑄造合金。需添加Sr變質處理。最佳效果使用 Grade 441 或 331 金屬矽. |
| A357 | 6.5-7.5% | 亞共晶 | 航空鑄件、高性能汽車、軍工部件 | A356添加較高Mg（0.5-0.7%），熱處理後強度更高（UTS 345 MPa）。優質合金。需使用高純度 Grade 1101 金屬矽 以滿足航空認證。 |
| A319 | 5.5-6.5% | 亞共晶 | 發動機氣缸蓋、進氣歧管、變速箱殼體、泵體 | 良好的高溫強度、優異的壓力密封性、良好的加工性。含Cu（3-4%）以增強強度。 |
| A380 | 7.5-9.5% | 亞共晶（近共晶） | 壓鑄件——電子產品外殼、電動工具機身、汽車支架、家電部件 | 最佳壓鑄合金：優異的流動性、良好的強度、良好的耐腐蝕性。80%的鋁壓鑄件使用A380。 |
| A413 | 11-13% | 共晶 / 近共晶 | 薄壁壓鑄件、液壓部件、複雜形狀、壓力密封鑄件 | 最大流動性、優異的壓力密封性、最小收縮。強度低於A356，但鑄造性更優。 |
| A390 | 16-18% | 過共晶 | 部分發動機缸體、活塞、氣缸套、壓縮機部件、耐磨環 | 非常高的耐磨性、低熱膨脹、高硬度。需特殊處理（P孕育、金剛石刀具）。高純度 Grade 97 或 553 金屬矽 通常用於這些高矽合金。 |
矽含量對二次加工的影響
熱處理性
亞共晶合金（A356, A357）對T5、T6和T7熱處理響應極佳。固溶處理溶解Mg₂Si析出物，隨後時效形成細小強化析出相。共晶合金（A413）對熱處理響應極小（不含Mg）。過共晶合金通常以鑄態（T1）或有限時效狀態使用。
加工性
低矽（<5%）：黏韌、切屑形成差、易產生積屑瘤。中矽（5-9%）：使用適當刀具時加工性良好。高矽（12-18%）：磨蝕性強，需使用硬質合金或金剛石刀具，但可獲得優異表面光潔度。過共晶合金（A390）是磨蝕性最強的鋁合金之一，但可加工至鏡面效果。金屬矽中的鐵含量（較低存在於 Grade 441 和 331）顯著影響加工過程中的刀具壽命。
焊接性
隨矽含量增加而降低。A356/A357具有良好的焊接性（GTAW, GMAW）。A380/A413因高矽和高銅含量而焊接性差——不建議用於結構焊接。
實用合金選擇指南
使用此決策框架為您的應用選擇最佳鋁矽鑄造合金：
- 需要熱處理後的最大延展性和強度？ → A356或A357（6.5-7.5% Si）並進行T6熱處理。指定 Grade 441 或 331 金屬矽 以獲得最佳效果。
- 需要複雜薄壁壓鑄件且具有良好的鑄態性能？ → A380（8-9% Si）用於一般壓鑄；A413（11-13% Si）用於極薄壁件。 Grade 553 金屬矽 是標準選擇。
- 需要耐磨性和低熱膨脹？ → A390（16-18% Si）過共晶。 Grade 97 金屬矽 為這些高矽合金提供經濟的矽源。
- 需要高溫強度（發動機應用）？ → A319（5.5-6.5% Si）添加Cu
- 需要液壓部件的壓力密封性？ → A413（共晶）或A356（需仔細補縮）
- 需要航空級認證和最大純度？ → A357搭配 Grade 1101 金屬矽 （99.7% Si，超低雜質）
案例：汽車輪轂合金選擇
一家鑄造鋁合金汽車輪轂的製造商評估了三種候選合金：A380（9% Si）、A356（7% Si）和A413（12% Si）。要求：高強度以確保安全、良好的延展性以抵抗衝擊、優異的表面光潔度以滿足外觀要求，以及能夠鑄造薄輻條（5毫米截面）。結果：A380提供良好的鑄造性，但延展性有限（伸長率3-5%）且熱處理響應差。A413提供優異的鑄造性，但強度較低（UTS 200 MPa）。經過Sr變質處理和T6熱處理的A356達到了UTS 310 MPa、伸長率10%，並通過適當的澆注系統實現了可接受的鑄造性。鑄造廠指定了 Grade 441 金屬矽 ，因其穩定的低鐵含量，改善了延展性和陽極氧化一致性。最終選擇了A356——這表明最佳的鑄造性並非總是勝出；性能要求驅動選擇，而金屬矽的品質直接決定了這些性能的實現。
矽含量是鋁鑄造合金設計中最重要的單一變量。從用於結構鑄件的亞共晶A356，到用於薄壁壓鑄件的共晶A413，再到用於耐磨部件的過共晶A390，矽控制著流動性、抗熱裂性、收縮、機械性能和二次加工行為。通過理解鋁矽相圖以及不同矽含量相關的權衡，鑄造廠和鑄件買家可以為每個應用選擇最佳合金——平衡鑄造性、成本和最終部件性能。每個優質鋁矽鑄件的基礎是高純度金屬矽。Bright Alloys供應全系列的 ——具有認證化學成分，滿足全球鋁鑄造廠的嚴格要求。 — Grade 97, 331, 441, 553、 1101 和